Файл: Аполлов, Б. А. Курс гидрологических прогнозов учебник.pdf

На участках заторов, протяженность которых обычно состав­ ляет несколько километров, резко увеличивается сопротивление движению потока и возрастает уклон. Выше затора возникает под­ пор уровня воды, тем больший, чем сильнее возрастает сопротивле­ ние движению воды на участке затора.

Итак, основными условиями образования достаточно мощного затора льда являются: 1) сохранение ледяного покрова ниже той части реки, на которой произошло вскрытие и начался ледоход, и 2) достаточно большая крутизна и скорость движения паводочной волны. Отметим, что осуществление первого условия частично за­ висит от второго.

Наличие второго условия обычно характеризуют интенсивно­ стью подъема уровня воды до начала вскрытия. На некоторых ре­ ках, например на больших реках Сибири, текущих с юга на север, это условие имеется ежегодно. В таких случаях для предсказания затора — будет он или не будет—-достаточно знать, осуществится ли в данном году первое условие. Неежегодное его осуществление характерно здесь для участков, где заторы образуются в местах уменьшения скоростей течения при переходе от переката к плесу, стеснения русла и расположения островов. Заторы на этих участ­ ках обычно образуются в такие годы, т. е. первое условие выпол­ няется тогда, когда замерзание реки происходило при повышенных уровнях, особенно если при этом оно еще сопровождалось за­ жорами. В качестве примера приведем участок Енисея ниже Крас­ ноярска протяженностью 35 км, в верхней части которого имеется ряд перекатов, а нижняя занята плесом. Заторы здесь образуются обычно при переходе к плесу от последнего по течению переката. Обработка данных многолетних наблюдений на водпосту у г. Крас­ ноярска показала, что при максимальном уровне воды в началь­ ный период ледостава ниже 240 см затор образовался в одном году из 31, при уровне от 240 до 280 см заторы образовались в по­ ловине случаев (лет), выше 280 см— в 88% случаев (лет), выше 310 см — в 100% случаев (7 лет). Эта закономерность, очевидно, уже в начале зимы может быть использована для определения ве­ роятности затора будущей весной.

Встречаются участки рек, на которых ежегодно осуществля­ ются оба условия и, значит, ежегодно бывают заторы. Здесь уже не требуется прогноз того, будет ли затор льда в данном году. Но на таких участках уровни при заторах обычно бывают весьма высокие и довольно сильно различаются от года к году. Ясно, что

является участок р. Томь ниже г. Томска.

На реках западной части Европейской территории СССР ос­ новным показателем возможности образования затора является ин­ тенсивность подъема уровня воды от его начала до первой под­ вижки льда. Так, когда эта интенсивность на Немане у г. Каунаса превышает 24 см/сут, то вероятность образования затора состав­ ляет 93%. Когда же эта интенсивность подъема ниже, то при

оценке вероятности образования затора на Немане учитываются наличие и количественные показатели отрицательных температур воздуха в течение указанного выше периода.

Отметим, что методов прогноза образования заторов с введением в расчет, как было это в методах прогноза вскрытия рек и водо­ хранилищ, прочности и толщины льда и некоторых других прямых его характеристик, пока нет.

Методику прогноза максимальных заторных уровней, которые часто бывают весьма опасными, пока удалось получить только для участков рек, где образование заторов обусловлено общим уменьше­ нием уклона (см. выше). Для таких случаев для максимальной вы­ соты подъема уровня воды над предподъемным Д # макс можно запи­ сать

(21.XIII)

где Ііл — толщина ледяного покрова на некотором протяжении реки,

паводка на единицу поверхности соответственно снежно-ледяной и снежной поверхностей за период от таяния до вскрытия; Ѳ- — харак­

в выражение (21.XIII) являются для данного участка определяю­ щими и должны быть учтены при разработке метода прогноза, а влиянием каких можно пренебречь. Это выясняется путем анализа соответствующих данных наблюдений за достаточно большое чи­ сло лет.

Как уже отмечалось, на р. Томи непосредственно ниже Томска заторы образуются ежегодно, но высота максимального заторного уровня значительно колеблется от года к году — от 497 до 1103 см. Для прогноза высоты этого уровня было получено уравнение

от начала ледостава до 31 января. Величины 227 здесь были за­ менены 229+ за расчетный период (см. выше). В те немногие годы, когда в период вскрытия здесь бывают возвраты морозов, к вели­ чине ДЯмакс вводится поправка со знаком плюс; на способе ее опре­ деления мы не останавливаемся.

386

Высота заторного уровня воды в определенном пункте реки зависит и от расстояния от этого пункта до места образования затора. Если расстояние постоянно, как, например, на Томи ниже Томска, то его влияние учитывается числовыми значениями пара­ метров зависимости, установленной для составления прогнозов максимального уровня воды. Отметим, что заблаговременность этих прогнозов для Томи у г. Томска составляет в среднем 4 дня. Она может быть увеличена путем предвычислеиия подъема уровня воды.

Разрушение заторов происходит под действием движущей силы потока, когда она превысит силы сопротивления на участке затора, которые зависят от прочности льда и от сопротивления берегов движению нагроможденных льдин. Чем прочнее лед и больше на­ громождения льда, тем больший требуется подъем уровня воды, чтобы разрушить затор.

Для предотвращения и скорейшей ликвидации опасных заторов льда проводятся ледокольные и взрывные работы. Ледокольные работы позволяют заблаговременно освободить ото льда некоторые участки образования заторов, например рукава и протоки дельт. Главная задача взрывных работ—- разрушение уже образовав­ шихся заторов. Но эти работы не всегда дают должный эффект, особенно при ликвидации очень мощных заторов, когда на зна­ чительном протяжении русло бывает сильно забито льдом.

Глава XIV

ДОЛГОСРОЧНЫЕ ПРОГНОЗЫ ЗАМЕРЗАНИЯ И ВСКРЫТИЯ РЕК, ОЗЕР И ВОДОХРАНИЛИЩ

Заблаговременно знать сроки замерзания и вскрытия рек, озер и водохранилищ очень важно для многих отраслей народного хо­ зяйства, в особенности для водного транспорта, гидротехнического строительства, гидроэнергетики и лесной промышленности. Это ча­ стично уже отмечалось в двух предыдущих главах. Гидрометеоро­ логической службой СССР долгосрочные прогнозы замерзания и вскрытия рек, озер и водохранилищ систематически выпускаются уже более 30 лет; их заблаговременность составляет в среднем один-два месяца. Казалось бы, основой таких прогнозов должны быть долгосрочные (месячные) прогнозы погоды. Но после соот­ ветствующих исследований выяснилось, что пока они не могут явиться подобной основой. Дело в том, что при достигнутой точ­ ности прогнозов погоды их интерпретация, заключающаяся в вы­ полнении по содержащимся в них данным расчетов ожидаемых сроков замерзания и вскрытия рек методами, с которыми мы познакомились в двух предыдущих главах, не дает заметного

преимущества перед использованием в качестве ожидаемых сроков просто средних многолетних дат наступления этих явлений.

Разработка методов долгосрочных прогнозов замерзания и вскрытия рек, озер п водохранилищ тесно связана с изучением за­ кономерностей атмосферной циркуляции и теплообмена между под­ стилающей поверхностью и атмосферой на больших пространствах. Первые широко использовавшиеся на практике методы были разра­ ботаны Г. Р. Брегманом и Г. Я. Вангенгеймом в начале 40-х годов.

§ 1. ПРОГНОЗЫ ЗАЛАЕРЗАНИЯ РЕК

Обычно к моменту устойчивого появления плавучего льда реч­ ной флот заканчивает плановые перевозки и при ледоходе лишь завершается расстановка судов в затоны на зимовку; поэтому время такого появления льда считается временем окончания нави­ гации на данном участке реки. Отсюда и основным долгосрочным прогнозом замерзания рек является прогноз срока устойчивого по­ явления на них льда. Лишь для некоторых больших рек, на кото­ рых ледоход очень продолжителен, а время образования ледостава тоже имеет важное практическое значение, например на р. Лене, составляются также долгосрочные прогнозы дат начала ледостава.

В гл. XII уже говорилось о том, что средние сроки появления плавучего льда на реках нашей страны сильно меняются по тер­ ритории, а на каждой реке или определенном ее участке — от года к году. Теперь отметим еще следующее.

На реках северных районов Сибири плавучий лед появляется в среднем в первых числах октября, а на реках ее южных райо­ нов— в конце того же месяца; на севере Европейской территории это происходит в третьей декаде октября и на юге — только в пер­ вой декаде декабря. Изменчивость ежегодных сроков сильно уве­ личивается с востока на запад. Если обратимся к величинам сред­ него квадратического отклонения этих сроков от средних, то в Во­ сточной Сибири оно составляет 6—8 дней, а на западе Белоруссии и в Прибалтике— 15—16 дней. Нетрудно видеть, что наименьшая изменчивость приходится на районы с сильно континентальным климатом, наибольшая — на районы с климатом, смягченным влия­ нием моря.

Рассмотрение географического распределения сроков появле­ ния льда на реках позволяет сделать вывод о том, что в разных частях страны эти сроки определяются различными атмосферными процессами. Отсюда закономерно и различие методов долгосроч­ ных прогнозов сроков появления плавучего льда.

Анализ изменения сроков появления плавучего льда в конкрет­ ные годы по территории привел к выводу, что величины отклоне­ ния этих сроков от средних отличаются мало, если площадь не превышает примерно 30 000 км2. На основе этого же анализа вся территория страны была разделена на 62 района, в каждом из ко­ торых указанные отклонения сроков по всем рекам могут при раз­

388

работке методов их прогнозов считаться одинаковыми. Было также установлено, что величины этих отклонений в соседних районах взаимосвязаны, причем коэффициенты корреляции этой связи обычно составляют 0,6—0,7. Поэтому при разработке методов дол­ госрочных прогнозов анализ атмосферных процессов выполняется сразу для группы районов, на реках которых сроки появления льда достаточно тесно связаны между собой.

Однородность величин отклонений дат появления льда на ре­ ках от средних (однородность величин аномалий сроков) на значи­ тельных территориях показывает, что эти даты связаны с макропро­ цессами в атмосфере, развивающимися на больших пространствах и в течение длительного времени. Это говорит о необходимости пользоваться в разработке методов прогнозов характеристиками преобладающих атмосферных процессов.

Разработка метода долгосрочного прогноза времени появления льда включает:

а) рассмотрение сроков появления льда на реках рассматривае­

б) анализ атмосферных процессов, обусловливающих поступ­ ление холодных воздушных масс, вызывающих значительное ох­ лаждение воды и образование льда;

в) выявление закономерностей развития атмосферных процес­ сов во времени, с помощью которых можно с большой заблаговре­ менностью оценить интенсивность похолоданий.

Последняя задача решается на основе результатов исследова­ ний по общей циркуляции атмосферы и долгосрочным прогнозам погоды. Особенностями применения их к гидрологическим прогно­ зам являются, с одной стороны, использование самых общих за­ кономерностей, относящихся к преобладающим процессам, и, с дру­ гой,— выражение атмосферных процессов количественными харак­ теристиками для получения физико-статистических зависимостей сроков ледовых явлений от этих характеристик. Как реали­ зуются эти общие положения, проследим на примерах долгосроч­ ных прогнозов сроков появления льда на реках разных частей страны.

Средние сроки появления льда на большинстве рек Восточной Сибири приходятся на вторую декаду октября. Наступление холо­ дов и начало ледообразования на реках здесь связано с формиро­ ванием восточно-сибирского антициклона. Оно начинается обычно в августе, что дает возможность, оценивая время начала и ход развития процесса, предсказать сроки ледообразования. За начало формирования антициклона принимается дата (Да), после кото­ рой на юге Восточной Сибири, в районе Байкала, антициклональное поле давления сохраняется не менее десяти дней подряд. Поле может в дальнейшем сменяться циклоническим, но не более чем на пять дней. По материалам наблюдений метеорологических стан­ ций эта дата (Да) приходится в среднем на 14 августа, самое ран­ нее на 4 июля и самое позднее на 16 сентября.

389